多组学方法揭示弥漫性中线胶质瘤呈现改变的DNA复制并对复制应激治疗敏感

Multi-omics approaches reveal that diffuse midline gliomas present altered DNA replication and are susceptible to replication stress therapy

作者信息Anastasia E Hains, Kashish Chetal, Tsunetoshi Nakatani, Joana G Marques, Andreas Ettinger, Carlos A O Biagi Junior, Adriana Gonzalez-Sandoval, Renjitha Pillai, Mariella G Filbin, Maria-Elena Torres-Padilla, Ruslan I Sadreyev, Capucine Van Rechem
PMID39707510
发布时间2024-12
DOI10.1186/s13059-024-03460-y

实验完整度

高

包含多组学分析(复制时序、转录组)、DNA纤维实验、细胞活性实验及单细胞RNA-seq肿瘤特征验证,具备功能验证和机制验证。

主要模型

患者来源的H3.1K27M DMG细胞系(DIPG4、DIPG21、DIPG33) 患者来源的H3.3K27M DMG细胞系(DIPG19、DIPG24、DIPG29) 正常星形胶质细胞系(NHA、HA-bs) DMG肿瘤样本及正常海马/皮层样本

重点核对

DMG细胞系亚组(H3.1K27M和H3.3K27M)及正常星形胶质细胞(NHA、HA-bs)的使用 复制时序测序中S期分为四个相等阶段(S1-S4),细胞周期RNA-seq分为G1、早期S、晚期S、G2/M DNA纤维实验中IdU和CldU标记浓度(25mM IdU和50mM CldU)及标记时间(各30分钟) 细胞活性实验中药物浓度(羟基脲、氟达拉滨、贝佐替尼)及处理时间(72小时) 正常脑组织(海马、皮层)与肿瘤样本的单细胞RNA-seq数据来源

摘要

背景:致命的弥漫性中线胶质瘤(DMG)以H3.1或H3.3中不可成药的H3K27M突变为特征。K27M通过阻滞分化损害正常发育。可靶向通路的鉴定仍未充分探索。为此,我们采用多组学方法评估H3.1K27M和H3.3K27M亚组DMG细胞的复制时序、转录组和细胞周期特征,并与正常脑组织进行比较性整合数据分析。结果:DMG细胞在每个亚组中呈现差异复制时序,这反过来与显著的差异基因表达相关。S期中差异表达基因涉及与DNA复制相关的多种通路。与正常脑细胞相比,DMG细胞系中DNA复制基因的表达在细胞周期中更早增加。此外,DMG细胞中复制起点之间的距离小于正常脑细胞,其复制叉速度更慢,这是复制应激的读数。与这些发现一致,DMG肿瘤与正常脑细胞相比呈现高复制应激特征。最后,DMG细胞对复制应激治疗特异敏感。结论:这种全基因组多组学方法通过H3K27M突变提供了对DMG细胞周期调控的见解,并确定了DNA复制中的药理学脆弱性,从而为这种不可治愈疾病解决了一种潜在的新型治疗策略。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
H3K27M突变如何影响弥漫性中线胶质瘤(DMG)的细胞周期调控,特别是DNA复制时序和复制应激,并是否存在可靶向的治疗脆弱性?
核心机制
H3K27M突变导致DNA复制时序改变,进而影响基因表达,引起DNA复制基因在细胞周期中的表达提前,导致复制起点间距缩短和复制叉速度减慢,引发复制应激。
主要证据
通过复制时序测序发现DMG细胞与星形胶质细胞存在差异复制时序,且与差异基因表达相关;DNA纤维实验显示DMG细胞起点间距缩短、叉速减慢;单细胞RNA-seq显示DMG肿瘤复制应激评分升高;细胞活性实验显示DMG细胞对复制应激治疗药物(羟基脲、氟达拉滨、贝佐替尼)更加敏感。
研究意义
该研究确定了DNA复制是DMG的潜在治疗靶点,为这种不可治愈疾病提供了新的治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

细胞模型建立与分组

建立H3.1K27M和H3.3K27M亚组DMG细胞系及正常星形胶质细胞模型,用于比较分析。

使用患者来源的三种H3.1K27M细胞系(DIPG4、DIPG21、DIPG33)、三种H3.3K27M细胞系(DIPG19、DIPG24、DIPG29)及两种正常星形胶质细胞系(NHA、HA-bs)。

2

细胞周期分选与组学测序

获取不同细胞周期阶段的细胞群,进行复制时序测序和转录组测序。

利用FACS基于DNA含量分选S期四个阶段(S1-S4)进行复制时序测序,分选G1、早期S(ES)、晚期S(LS)、G2/M四个阶段进行细胞周期RNA测序。

3

复制时序与基因表达关联分析

验证差异复制时序是否与差异基因表达相关,并探讨其与复制特征的关系。

比较DMG细胞与星形胶质细胞中差异复制时序区域与差异基因表达,进行相关性分析。

4

DNA纤维分析

评估DMG细胞与正常星形胶质细胞在复制起点距离和复制叉速度上的差异。

采用DNA纤维实验,连续标记IdU和CldU,测量起点间距和叉速。

5

复制应激特征分析

评估DMG肿瘤是否呈现复制应激特征。

分析公共单细胞RNA-seq数据,计算DMG肿瘤和正常脑组织的复制应激评分。

6

药物敏感性评估

检验DMG细胞对复制应激治疗药物是否比正常星形胶质细胞更敏感。

使用羟基脲、氟达拉滨、贝佐替尼处理细胞,测定细胞活性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Neurobasal-A培养基Thermofisher10888022
DMEM/F-12培养基Gibco11330032
HEPES缓冲液Gibco15630106
GlutaMAX补充剂Gibco35050061
MEM非必需氨基酸Gibco11140050
抗生素-抗真菌剂Gibco15240096
表皮生长因子STEMCELL78006
碱性成纤维细胞生长因子STEMCELL78003
血小板衍生生长因子-AAShenandoah Biotechnology100-16AF-100UG
血小板衍生生长因子-BBShenandoah Biotechnology100-18-100UG
B-27补充剂(不含维生素A)Gibco1287010
肝素溶液STEMCELL07980
TrypLE Express消化液Gibco12604039
Hanks平衡盐溶液Corning21-022-CV
正常人类星形胶质细胞LonzaCC-2565
人脑干星形胶质细胞Sciencell1840
羟基脲Selleck ChemicalsS1896
氟达拉滨MedChem ExpressHY-B0069
贝佐替尼Selleck ChemicalsS7102
CellTiter-Glo 2.0细胞活性检测试剂盒PromegaG9243
碘脱氧尿苷SigmaI7125
氯脱氧尿苷SigmaC6891
抗BrdU抗体(识别CldU)AbcamAb6326
抗BrdU抗体(识别IdU)BD Biosciences347580
二抗(抗小鼠)Thermo Fisher SCIENTIFICA11001
二抗(抗兔)Thermo Fisher SCIENTIFICA11077
Leica SP8共聚焦显微镜Leica--
溴脱氧尿苷----
碘化丙啶----
核糖核酸酶A----
Zymo Quick-DNA微量制备试剂盒Zymo ResearchD3020
QSonica Q700超声破碎仪QSonica--
NEBNext Ultra DNA文库制备试剂盒New England BiolabsE7370L
Hoechst 33342染色液InvitrogenH3570
PureLink RNA小量提取试剂盒Invitrogen12183025
DNA酶Invitrogen12185010
NEBNext Ultra II 定向RNA文库制备试剂盒New England BiolabsE6310
抗磷酸化H2A.X(Ser139)抗体Sigma-Aldrich05-636
抗β-肌动蛋白抗体Abcam8226

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养
DMG细胞系(DIPG4、DIPG21、DIPG33、DIPG19、DIPG24、DIPG29)和星形胶质细胞(NHA、HA-bs)的来源和培养条件
阅读提示:Methods:Cell culture
复制时序测序
BrdU标记浓度(100 mM)、标记时间(2小时)、S期分选阶段数(S1-S4)及各阶段细胞数(200,000个)
阅读提示:Methods:Replication timing sequencing;图1A
细胞周期RNA测序
Hoechst染色浓度(1:3000稀释)、孵育时间(1小时)、分选阶段(G1、ES、LS、G2/M)及各阶段细胞数(250,000个)
阅读提示:Methods:Cell cycle RNA sequencing;图1A
DNA纤维实验
IdU(25 mM)和CldU(50 mM)标记时间各30分钟,显微镜配置(Leica SP8,40x物镜)
阅读提示:Methods:DNA fiber assays
细胞活性检测
药物(羟基脲、氟达拉滨、贝佐替尼)的处理浓度(文中未明确说明具体浓度)、处理时间(72小时)
阅读提示:Methods:Cell viability assays;图6E-G
复制应激特征分析
单细胞RNA-seq数据来源(GEO编号)及复制应激特征评分算法
阅读提示:Methods:Single-cell RNA sequencing;参考文献[30]
Western blot
一抗(抗磷酸化H2A.X(Ser139)和抗β-actin)的稀释比例(文中未明确说明),蛋白上样量(25毫克)
阅读提示:Methods:Western blot;补充文件3